Annonces - Percée en informatique quantique soulignée dans Nature Physics

Le 27 novembre 2011 — Ottawa, Ontario

Des travaux révolutionnaires en informatique quantique menés par le Conseil national de recherches du  Canada laissent prévoir la création du premier ordinateur quantique échelonnable. Les résultats de ces travaux sont publiés dans Nature Physics, un périodique très réputé.

De nos jours, les appareils électroniques tombent trop souvent en désuétude dès qu’ils quittent le magasin, car le nouveau modèle est plus rapide et englobe plus de fonctions que le précédent. La raison en est la remarquable progression exponentielle des circuits intégrés, car chaque génération de puces intègre des composants de plus en plus petits, un constat qu’on appelle parfois la « Loi de Moore ». Cependant vient un point où cela aussi doit cesser, et, en fait, on arrive vite à la fin inévitable de cette miniaturisation des processeurs; en réponse, l’industrie cherche un nouveau paradigme qui poussera à faire les choses plus intelligemment.

L’informatique quantique, qui tire parti de la puissance extraordinaire de la mécanique quantique, pourrait fort bien être la solution. Un ordinateur quantique pourrait non seulement résoudre nombre de problèmes trop complexes pour les ordinateurs actuels, mais aussi percer les méthodes de chiffrement habituelles. Une telle technologie nous permettrait de mieux comprendre des processus chimiques et biologiques complexes, et ainsi permettre la création de nouveaux médicaments et de nouveaux matériaux. Plusieurs idées ont été lancées sur la réalisation d’un ordinateur quantique, mais les chercheurs du CNRC prévoient tirer parti des outils et des technologies élaborés au cours des dernières décennies par l’industrie des semi-conducteurs. L’équipe de recherche crée actuellement des circuits quantiques à semi-conducteurs de petite échelle, et elle commence à les rendre plus élaborés; le processus est parallèle au tout début des circuits intégrés, dont l’origine remonte, il y a soixante ans, aux transistors distincts et d'assez grande taille. Il y a quelques années, les scientifiques du CNRC ont pour la première fois démontré qu’il est possible, avec de tels circuits, d’isoler le spin d’électrons précis d’une couche comptant 100 000 000 000 d’électrons par centimètre carré; chacun de ces spins devait représenter un bit du nouvel ordinateur. Or, ces mêmes chercheurs ont depuis fait un pas de géant. Dans l’article publié dans Nature Physics, ils démontrent pour la première fois qu’il est possible de manipuler, de façon cohérente, des états quantiques complexes fondés sur trois spins électroniques en interaction; il s’agit du circuit à semi-conducteur et qubit (bit quantique) par spin le plus complexe à ce jour. On peut effectuer des opérations logiques quantiques comme l’addition et la soustraction à l’aide d’un spin ou d'une paire de spins, mais la théorie a depuis longtemps établi le besoin de manipuler les états cohérents à trois spins, plus complexes. Intégrer de l’information à ces états peut aider à augmenter la durée de cohérence des spins, c’est-à-dire le temps utile de calcul quantique. Cela sera aussi nécessaire pour créer les méthodes de correction d’erreurs quantiques nécessaires pour rectifier continuellement les inévitables erreurs quantiques. On a aussi proposé de fonder sur les états à trois spins un bus quantique presque magique qui transporterait les spins presque instantanément entre les divers emplacements d’un circuit quantique sans passer par les points intermédiaires.

Le CNRC était en position parfaite pour une telle percée, car il dispose de toutes les technologies nécessaires. Le matériau de pointe a été créé par le groupe d’épitaxie, qui est muni des seules installations au Canada pouvant produire des matériaux de grade si élevé. Les dispositifs de pointe ont été élaborés puis fabriqués dans les laboratoires de nanofabrication du CNRC, et mesurés dans les laboratoires de mesure et de caractérisation avancées du groupe de physique quantique, qui font partie du centre d’information quantique du CNRC. Ces recherches ont été appuyées par des analyses et des modèles complexes élaborés par le groupe de théorie quantique du CNRC.